海島海水淡化關(guān)鍵因素探討及系統(tǒng)設(shè)計

閆文文 谷東起 孫永根 黃沛 王恩康

（1 自然資源部第一海洋研究所 山東青島 266061 2 中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室 山東青島 266100）

0 引言

海島是推動海洋經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、深化海洋生態(tài)文明建設(shè)、保障國家海洋權(quán)益的前沿陣地［1］。中國海島數(shù)量眾多，約90%以上的海島淡水資源匱乏，地表淡水甚少。天然降水、船運補給是當前海島淡水主要來源，但難以解決根本問題且代價高昂。海島淡水資源匱乏是全球面臨的普遍問題［3-5］，嚴重制約著海島資源開發(fā)利用和海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，更關(guān)系到海島人民的生命安全［6］。

向大海要淡水，成為解決海島淡水需求的必然趨勢［7］。與其它海島供水方式相比，海水淡化具有占地面積小、投資額度小、建設(shè)周期短、水質(zhì)安全、水量穩(wěn)定、運行可靠、易于自動控制、受氣候條件限制少等優(yōu)點［8］，是解決海島正常生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的重要途徑。自然資源部海洋戰(zhàn)略規(guī)劃與經(jīng)濟司2020年10 月發(fā)布的《2019 年全國海水利用報告》顯示，截至2019 年底，全國現(xiàn)有海水淡化工程115 個，工程規(guī)模1 573 760 m3/d（統(tǒng)計數(shù)據(jù)均未包括香港、澳門特別行政區(qū)和臺灣省）［9］。其中，海島地區(qū)現(xiàn)有海水淡化工程規(guī)模388 556 m3/d，約占總量的25%，主要集中在浙江（嵊泗、岱山、普陀）及福建和海南的海島地區(qū)。

目前相關(guān)研究內(nèi)容以海水淡化方法、取水方式、取水構(gòu)筑物類型以及排水方式等單一比選分析為主［10-22］，可為非海島地區(qū)的海水淡化方法和方式的選擇提供初步比選方案和重要技術(shù)參考。然而，針對海島自然環(huán)境特征、系統(tǒng)性開展海水淡化關(guān)鍵因素探討分析和海水淡化系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)研究成果還較少，海島保護利用與淡水缺乏之間的矛盾越來越大，嚴重制約著海島經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，探討特殊海島環(huán)境下的海水淡化主要影響因素，科學設(shè)計適宜的海水淡化系統(tǒng)，對海洋資源保護和開發(fā)利用具有重大意義。

1 海島海水淡化關(guān)鍵因素探討

1.1 淡化方法

海水淡化以熱法和膜法為主，熱法主要是低溫多效蒸餾（LT-MED）和多級閃蒸（MSF）海水淡化工藝，膜法主要是反滲透（RO）［10-12］。多年的應(yīng)用實踐表明，這3 種工藝已成為沿海地區(qū)和海島的最重要海水淡化方法［13］。其中，中東海灣國家以多級閃蒸工藝為主，因為其可進行大型化和超大型化建設(shè)，并且預(yù)處理費用低，能適應(yīng)污染嚴重的海灣水；而中東以外地區(qū)則將反滲透工藝作為首選，因為反滲透的能耗和成本都具有較大優(yōu)勢［14］。截至2019 年底，全國應(yīng)用反滲透技術(shù)的海水淡化工程97 個，約占工程總數(shù)的84%，生產(chǎn)淡水1 000 930 m3/d，占總出水量的64%［9］。

海島環(huán)境特殊，海水淡化首先應(yīng)考慮海島遠離陸地、空間有限、自然環(huán)境條件惡劣等因素，同時還要兼顧供水成本，對海水淡化裝置性能要求更為苛刻。因此，設(shè)備簡單、質(zhì)量輕、易于維護、占地空間小、施工簡單的反滲透成為主流海島海水淡化工藝［15］，也是本研究推薦的海水淡化方法。當然，在海島海水淡化的實際應(yīng)用過程中，需要具體考慮工程的規(guī)模大小、原水水質(zhì)、淡化成本、氣候條件、技術(shù)及安全性要求等綜合要素，最終確定采用哪一種海水淡化方法［16］。

1.2 取水方式

海水取水工程是海島海水淡化系統(tǒng)外部配套設(shè)施的重要組成部分，其取水方式的適宜性與合理性是保證海水淡化設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)，是為海水淡化設(shè)備提供充足、持續(xù)、適合原水的重要保障［17］。根據(jù)目前研究情況，海水取水方式一般可分為間接取水、深海取水及淺海取水三大類［18］。不同的取水系統(tǒng)適用于不同的地區(qū)及淡化工藝。因此，需要根據(jù)實際情況設(shè)計海水取水工程方案。鑒于海島周邊海洋動力環(huán)境復(fù)雜，受浪、潮、流的影響較為劇烈，且海水中可能夾帶大量的泥沙等原因，海島區(qū)域存在取水較困難、海水淡化原水濁度較高等問題。因此，一般為保護反滲透膜組裝置，有效降低海水淡化成本，要求海島取水設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單、施工便利以及原水水質(zhì)較好。

為了取得滿足需求的優(yōu)質(zhì)海水，降低海島海水淡化成本。經(jīng)過對比分析［18-19］，推薦海島海水淡化取水方式宜采用島岸式直接取水。該方式具有系統(tǒng)簡單、施工量少、可集中運行管理等優(yōu)勢。同時，為降低浪、潮、流變化影響，減少海洋生物危害，可將泵房設(shè)置在距離海岸10 m～20 m 的位置，并為取水泵、管路等增加風浪防護加固措施。1 臺水泵可單獨設(shè)置1 條吸水管和至少2 套引水管線，并在引水管上設(shè)置閘閥，以保障取水安全和取水量充足。

1.3 取水構(gòu)筑物

海水取水構(gòu)筑物是為取集海水而設(shè)置的各種構(gòu)筑物的總稱，主要包括岸邊式取水構(gòu)筑物、海床式取水構(gòu)筑物和潮汐式取水構(gòu)筑物等［20］。適應(yīng)海島特點的海水取水構(gòu)筑物，應(yīng)滿足安全可靠、工藝簡單、能耗合理、管理方便等要求。經(jīng)過對比分析［21］，結(jié)合取水方式，海島海水淡化裝置推薦采用泵式岸邊取水構(gòu)筑物設(shè)計。一般可使用內(nèi)部帶有泥沙初級過濾處理的吸水泵作為一級取水裝置；二級取水裝置為充填礫石、細砂或活性炭等物質(zhì)的過濾沉淀池，去除原水中的顆粒物、有機物等；三級取水裝置為機械、超濾裝置，最后進入反滲透系統(tǒng)進行脫鹽處理。

在實際的應(yīng)用過程中，應(yīng)準確分析水流速率與泥沙攜帶之間的關(guān)系，并根據(jù)用水需求，合理選擇一、二、三級取水裝置的搭配數(shù)量、結(jié)構(gòu)和通量，與反滲透系統(tǒng)海水處理能力相匹配，才能夠?qū)崿F(xiàn)海島取水構(gòu)筑物與反滲透海水淡化系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運行。

1.4 排水方式

海島海水淡化排水方式的選擇，應(yīng)主要考慮濃鹽水排放等問題。目前，常用的排放方式主要包括直接排放和再利用等，且以直接排放方式居多。直接排入海島周邊海域的濃鹽水，對海洋生物的生長、發(fā)育、生殖、行為和分布等均有直接或間接的影響，可能導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)機制差的海洋生物體細胞產(chǎn)生質(zhì)壁分離，從而引起代謝失調(diào)甚至死亡［22］。而將濃鹽水進行再利用，如制鹽、提取化工原料等，可在有效保護生態(tài)環(huán)境的同時，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。

為實現(xiàn)海島區(qū)域濃鹽水零排放，本研究推薦采用濃鹽水存儲后舶離海島再處理或現(xiàn)場曬鹽、提取等濃鹽水綜合利用方式，以達到避免海島周邊海域環(huán)境污染，保護海洋生態(tài)系統(tǒng)的目的。當然，在海島海水淡化的實際應(yīng)用過程中，需根據(jù)海島自然環(huán)境、經(jīng)濟狀況和生態(tài)環(huán)保要求等實際條件，綜合確定濃鹽水排放方式。

2 海島海水淡化系統(tǒng)設(shè)計

中國自1997 年開始至今，已在浙江舟山、遼寧長海、山東長島、海南西沙群島和福建臺山島等地，建設(shè)了反滲透海水淡化裝置，日產(chǎn)量從幾噸到幾萬噸，極大地緩解了當?shù)厝彼疇顩r［23］，海島反滲透淡化裝置總體發(fā)展前景較好。特別是那些靠自身解決電力供應(yīng)問題的遠陸海島，適宜使用柴油機、太陽能、風能發(fā)電裝置等提供動力，采用反滲透裝置提供淡水。

2.1 系統(tǒng)組成

為滿足取水便利、設(shè)備運行可靠、規(guī)模選擇靈活、不受氣候影響、制水成本較低等海島海水淡化要求，綜合考慮海島離陸遠、較孤立、面積小、生態(tài)環(huán)境脆弱等自然特征，設(shè)計了1 套適應(yīng)性強、可操作性高的海島海水淡化系統(tǒng)，其工藝流程見圖1。

圖1 海島海水淡化工藝流程圖

設(shè)計的海島海水淡化系統(tǒng)主要包含四部分：第一部分為一級粗過濾系統(tǒng)，即圖1 中a 區(qū)域，包括高壓取水泵（帶能量回收裝置）、取水頭網(wǎng)狀圍欄、加藥裝置及豎流沉淀池；第二部分為二級細過濾系統(tǒng)，即圖1 中b 區(qū)域，包括機械過濾系統(tǒng)（帶反沖洗裝置）、超濾系統(tǒng)（帶正反洗裝置）和加藥裝置；第三部分為反滲透模組和pH 調(diào)節(jié)裝置，即圖1 中c 區(qū)域；第四部分為排水裝置和濃鹽水綜合利用系統(tǒng)，即圖1 中d 區(qū)域，其中排水裝置包括一級粗過濾系統(tǒng)和二級細過濾系統(tǒng)的廢水排放裝置，以及反滲透模組的淡水和濃鹽水排放裝置；濃鹽水綜合利用系統(tǒng)主要包括曬鹽池和儲存、利用裝置。

2.2 系統(tǒng)性能

為保證24 h 淡水供應(yīng)，高壓水泵、豎流沉淀池、機械過濾裝置、超濾裝置和淡化模組均設(shè)置2 臺，其中1 臺備用，并設(shè)置閥門進行主動控制和調(diào)節(jié)。如需水量臨時激增，可同時開啟備用設(shè)備，所產(chǎn)淡水量翻倍。豎流沉淀池中間以礫石、細砂或活性炭填充，采用底托鋼結(jié)構(gòu)，方便清洗與更換。機械過濾裝置所選濾膜為價格低、過濾效果好、宜反沖洗和更換的纖維材質(zhì)，底部設(shè)置進水增壓泵，上部設(shè)置取水口，通過增壓裝置排入超濾系統(tǒng)。

經(jīng)帶有反沖洗裝置的超濾系統(tǒng)處理后的海水，直接由高壓泵泵入反滲透淡化機組。為確保泵體穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)置了4套雙泵裝置，泵口處均安裝Y 型除污器，在方便除污的同時保證至少有1 個高壓泵可運行。反滲透淡化機組輸出的淡水可直供用戶，也可存入淡水罐。濃鹽水則進入濃鹽水池，進行曬鹽、化學原料提取等綜合利用。對于條件受限的海島，可將濃鹽水引入存儲罐中，采取定期舶離方式，運送至陸地進行處理。

3 結(jié)論

海島特殊的地理位置、自然環(huán)境，使得傳統(tǒng)海水淡化方法適用性降低，而適應(yīng)海島脆弱生態(tài)環(huán)境、狹小地理空間、綜合要求較高的反滲透海水淡化系統(tǒng)是解決海島缺水問題的主要選擇。對當前較適用于海島海水淡化的淡化方法、取水方式、取水構(gòu)筑物類型以及排水方式等進行了分析和推薦。淡化方法推薦采用膜法，取水方式推薦采用島岸式直接取水方式，取水構(gòu)筑物推薦采用泵式岸邊取水構(gòu)筑物設(shè)計，排水方式推薦采用濃鹽水存儲后舶離海島再處理或現(xiàn)場曬鹽、提取等濃鹽水綜合利用方式。

初步設(shè)計的1 套包含粗過濾裝置、細過濾裝置、反滲透模組以及排水回收裝置的反滲透式海島海水淡化系統(tǒng)，具有適用性強、穩(wěn)定性好、取水便利、工藝簡潔、出水量穩(wěn)定、制水成本較低以及水質(zhì)較好等特點，可在達到高質(zhì)量、保數(shù)量供應(yīng)海島淡水的同時，實現(xiàn)濃鹽水綜合利用和零排放。

反滲透式海島海水淡化系統(tǒng)在正常運行過程中，不會產(chǎn)生環(huán)境污染。該系統(tǒng)設(shè)備裝置搭配靈活、供水量容易調(diào)節(jié)，對于條件允許的海島，還可較為簡單地實現(xiàn)自動化操作。相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計人員可綜合考慮實際需求和現(xiàn)實條件，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行進一步的優(yōu)化升級和設(shè)計借鑒，因島制宜，為海島制定更為適宜的海水淡化設(shè)備配置和搭配組合方案，以實現(xiàn)更優(yōu)的技術(shù)、經(jīng)濟合理性。